《新能源汽车电力电子技术》教案第8课测试无源逆变电路.docx

课题测试无源逆变电路课时2课时(90min)教学目标知识目标：(1)掌握电压型无源逆变电路的结构和工作原理。(2)掌握电流型无源逆变电路的结构和工作原理。技能目标：(1)能区分无源逆变电路的换流方式。(2)能测试无源逆变电路。素质目标：(1)具有一定的沟通能力和团队合作能力。(2)树立民族自尊氏自豪感和文化自信。教学重难点教学重点：电压型无源逆变电路的结构和工作原理，电流型无源逆变电路的结构和工作原理教学难点：电压型无源逆变电路的工作原理，电流型无源逆变电路的工作原理教学方法讲授法、问答法、讨论法、实践教学法教学用具电脑、投影仪、多媒体课件、教材教学过程主要教学内容及步骤考勤【教师】使用APP进行签到【学生】班干SB报请假人员及原因任务导入【教师】展示“新能源汽车上的逆变器”图片(详见教材)，讲述“任务导入”的相关内容逆变器是利用电力电子器件将直流电变换为交流电的一种变流装置，可向交流负载供电或向交流电网并网发电。在新能源汽车中使用的逆变器多为无源逆变器，其主要功能是将动力蓄电池输出的直流电变换为交流电。无源逆变器体积小、质量小、稳定性好、噪声低，可自动稳频稳压，且谐波失真小、转换效率高、保护功能完善、可靠性高。它不仅应用于新能源汽车领域，还在航天、航空及通信等领域中发挥着重要作用。【学生】观看、聆听、理解、记忆传授新知【教师】讲解新知逆变电路1 )功能逆变电路将直流电源变换为频率和电压都可调的交流电源。2 )应用逆变电路的应用非常广泛，如交流电机调速用变频器、不间断电源(UPS)、机车照明与通信用辅助电源、感应加热电源等。3)分类分类标准种类特点电能的去向有源逆变电路将输出端连接至电网，并将变换后的交流电反馈至电网无源逆变电路将输出端连接至负载，并将变换后的交流电提供给负载电流波形正弦逆变电路开关器件中的电流为正弦波,开关损耗较小，工作频率较高非正弦逆变电路开关器件中的电流为非正弦波，开关损耗较大，工作频率较低电路结构半桥式逆变电路结构简单，使用器件少，其输出端电压幅值仅为输入端电压的一半全桥式逆变电路输出电压高，输出功率大，其输出端电压幅值与输入端电压相同输入端电源性质电压型逆变电路输入端并接有大电容，输入端电源为恒压源，逆变电路将直流电压变换为交流电压输出电流型逆变电路输入端并接有大电感，输入端电源为恒流源，逆变电路将直流电流变换为交流电流输出3.1.1无源逆变电路概述1.无源逆变电路的工作原理【教师】展示“带电阻性负载的单相桥式无源逆变电路”图片（详见教材），提出问题，随机邀请学生回图片中的S1S4表示什么元件?试分析电路的工作原理。【学生】聆听、观察、思考、回答【教师】总结学生回答，讲解新知假设Si-S4均为理想开关。当SkS4闭合，S2、S3断开时，电流从Ui正极出发，经过Su负载、S4回到负极，此时U。为正；当S2、S3闭合，SkS4断开时，电流从UI正极出发，经过S3、负载、S2回到负极，此时Uo为负。【教师】展示“带阻感性负载的单相桥式无源逆变电路的工作波形”图片（详见教材），讲解新知改变两组开关的切换频率，就可以改变输出交流电的频率。在带不同负载的情况下，认的波形会有所不同。当负载为电阻性负载时，U。和认的波形相同，均如图3-7中红色线条所示;而当负载为阻感性负载时，Uo的波形图3-7带阻感性负载的单相桥式无源逆变电路的工作波形【教师】提出问题，随机邀请学生回答为什么阻感性负载时i。的波形会产生变化？【学生】聆听、思考、回答【教师】总结学生回答，讲解新知由于电感的存在，在Hs时间段，3是缓慢增长的;在n时刻，电感释放储存的能量，i。因无法立即改变而维持原方向，因此i。缓慢减小，直至n时刻砌为零。之后的工作过程也是如此，认的相位均滞后于u。的相位，目波形不同。【教师】讲述“注意”的相关内容逆变电路输出电压的极性只取决于主电路的开关状态，而与负载的性质无关。【学生】聆听、思考、理解、记忆2.无源逆变电路的换流方式【教师】提出问题，随机邀请学生回答什么是换流？换流出现在哪些情况下？【学生】聆听、思考、回答【教师】总结学生回答，讲解新知换流（也称换相）是指电流从一个支路向另一个支路转移的过程。换流并不是无源逆变电路中独有的嗨,在整流、斩波等电路中也存在换赧象。在换流过程中，有的支路是从断态转移到通态，有的支路是从通态转移到断态，因此研究换流方式就是研究如何使器件关断。对于从断态向通态转移的过程，无论支路是由全控型器件还是半控型器件组成，只要满足门极有触发脉冲的条件，就可使支路开通。而对于从通态向断态转移的过程，如果支路由全控型器件(如IGBT)组成，则通过对门极进行控制就可使其关断；如果支路由半控型器件(如晶闸管)组成，则必须利用外部条件或采取措施来使其关断。【教师】讲述“点拨”的相关内容由于晶闸菅在导通后就不再受门极控制，因此采用晶闸管的逆变电路必须进行强迫换流。而这种换流方式增加了逆变电路的复杂性，降低了逆变电路的可靠性，也限制了逆变电路的开关频率，因此，如今大多数逆变电路都选择采用全控型器件，如适用于大功率逆变电路的IGBT,适用于小功率逆变电路的MoSFET等。【学生】聆听、思考、理解、记忆逆变电路的换流方式主要有器件换流、电网换流、负载换流和强迫换流四种。(1)器件换流：利用全控型器件的自关断能力进行换流的方式。(2)电网换流：换流电压由电网提供的换流方式。这种换流方式只需要将反向的电网电压施加在欲关断的晶闸管上即可使其关断，不需要开关器件具有门极可关断能力，但这种换流方式不适用于没有交流电网的无源逆变电路。(3)负载换流：换流电压由负载提供的换流方式.只要负载电流的相位超前于负载电压，都可实现负载换流。这种换流方式适用于负载为电容或同步电机的逆变电路。【教师】展示"基本负叠换流逆变电路及其工作波形”图片(详见教材)，讲述“知识链接基本负我换流逆变电路的工作原理”的相关内容基本负载换流逆变电路以4个晶闸管构成4个桥臂；以电阻、电感串联后再和电容并联作为负载。其中，电容的接入可改善负载的功率因数，使负载呈容性；电路输入端串联的大电感Li使Ii在电路工作时基本没有脉动。(详见教材)【学生】聆听、思考、理解、记忆【教师】播放“强迫换流的分类”微课视频(详见教材)，讲解新知(4)强迫换流：一种给需要关断的晶闸管强迫施加反向电压或反向电流的换流方式,通常利用附加电容上储存的能量来实现，因此也称电容换流。强迫换流可使逆变电路的输出频率不受电源频率限制，但需附加换流电路，同时还要增加晶闸管的额定电压、额定电流等参数值，因此对晶闸管的动态特性要求较高。【教师】提出问题，随机邀请学生回答试分析四种换流方式的相同点和不同点。【学生】聆听、思考、回答【教师】总结学生回答，讲解新知四种换流方式具有以下特点。(1)器件换流只适用于全控型器件，其余三种换流方式主要是针对晶闸管而言的。随着全控型器件的广泛应用，强迫换流与负载换流方式逐渐被淘汰。(2)器件换流和强迫换流属于自换流，电网换流和负载换流属于外部换流。如果电流不是从一个支路向另一个支路转移，而是在支路内部终止流通(大小变为零)，这种现象称为熄灭。3.1.2电压型无源逆变电路按照输入电源相数的不同，电压型无源逆变电路一股可分为单相电压型无源逆变电路和三相电压型无源逆变电路。电压型无源逆变电路主要有以下特点。(1)电路输入端为直流电压源(或并联大电容)，且电路输入端电压基本无脉动,直流回路呈低阻抗特性.(2)电路输出电压的波形为矩形波，且与负载阻抗角无关，而电路输出电流的波形和相位则因负载阻抗的不同而不同。【教师】提出问题，随机邀请学生回答什么是阻抗角？【学生】聆听、思考、回答【教师】总结学生回答，讲述"点拨”的相关内容阻抗角是指流电路中相电压和相电流之间的相位差,又称功率因数角，也可表述为复（数）阻抗的辐角。其数值等于正弦电压的相位减去正弦电流的相位。【学生】聆听、思考、理解、记忆（3）当电路输出端带阻感性负载时，需要为负载提供无功能量，输入端的电容起到缓冲无功能量的作用。而为了给输出端向输入端反馈的无功能量提供通道，电路逆变桥各桥臂并联有反馈二极管。【教师】讲述“点拨”的相关内容在交流电路中，凡是具有电感性或电容性的器件，在交流电通过后便会建立起电感线圈的磁场或电容器极板间的电场。因此，在交流电每个周期的正半周，它们将会从电源吸收能量，用于建立磁场或电场；而在交流电每个周期的负半周，其建立的磁场或电场又将能量反馈至电源。因此，在整个周期内电路输出功率的平均值等于零，这部分电能称为无功能量.【学生】聆听、思考、理解、记忆1 .单相电压型无源逆变电路常用的单相电压型无源逆变电路有半桥逆变电路、全桥逆变电路和带中，心抽头的变压器逆变电路。以上电路中采用的开关器件均为全控型器件，在使用时一般会让两个器件的驱动信号错开一定的死区时间，以避免同桥臂上的两个器件同时开通。【教师】提出问题，随机邀请学生回答什么是死区？什么是死区时间？【学生】聆听、思考、回答【教师】总结学生回答，讲述“知识链接一死区时间”的相关内容死区时间是指在IGBT的控制策略中加入的所谓"互锁延时时间"。进行这种设定的原因是由于IGBT并不是理想的开关器件，其开通时间和关断时间不是严格一致的。如果其两端有电压，将导致直流电源短路，损坏桥臂上的功率器件，这种现象称为桥臂直通。桥臂直通会导致器件在开通过程中产生不必要的损耗，甚至引发热失控，结果可能导致器件和整个逆变器损坏。（详见教材）【学生】聆听、思考、理解、记忆1 ）半桥逆变电路（1）电路的结构。【教师】展示“半桥逆变电路及其工作波形”图片（详见教材），讲解新知半桥逆变电路主要由2个桥臂组成，每个桥臂上接有一个IGBT和一个反向并联的二极管；在电路输入端接有两个相互串联的足够大的电容Ci、C2,且满足Cl=J,两个电容的连接点为U,的中电位点，阻感性负载连接在U1的中电位点和两个桥臂联结点之间。（2）电路的工作原理。【教师】分析匕时刻，随机邀请学生仿照b时刻的分析，分析其余时刻【学生】聆听、思考、分析、回答【教师】总结学生回答在H时刻，Ql开通，Q?关断，并且由于大电感的影响，记逐渐增大，此时UO=U"20详见教材。三±d分析可得到以下结论。Q和Q的门极电压在一个周期内各有半周正偏、半周反偏，两者互补.u1.的波形为矩形波，幅值为Unt=U./2；当Ql或Qz开通时，i“和UO方向相同，电路输入端向负载提供能量。当VDl或VD2开通时，i0和Uo方向相反，电感将其储能反馈至电路输入端。二极管在电路中提供反馈能量通道，同时为io续流。因此，半桥逆变电路中的二极管也称反馈二极管或续流二极管。(3)电路的应用。半桥逆变电路的优点是结构简单，使用器件少。但由于其输出端电压幅值仅为输入端电压的一半，因此半桥逆变电路输入端需要用分压电容器控制电压的平衡，并且为了使Uo的波形接近正弦波，需要在输出端接LC滤波器，利用LC滤波器滤除电路输出电压中的高次谐波。半桥逆变电路主要应用于IkW以下的小功率逆变电源。2)全桥逆变电路(1)电路的结构。【教师】展示“全桥逆变电路及其工作波形”图片(详见教材)，讲解新知全桥逆变电路可以看作两个半桥电路的组合，共4个桥臂。(详见教材)【教师】提出问题，随机邀请学生回答仿照半桥逆变电路的工作原理，分析全桥逆变电路的工作原理。【学生】聆听、思考、回答【教师】总结学生回答，讲解新知(2)电路的工作原理。在U时亥U,Ql和Q，开通，Q2和Q关断，i°逐渐增大，此时Uo=Uu详见教材。通过上述分析可得到以下结论。全桥逆变电路必和的波形与半桥逆变电路的形状基本相同，但幅值高出T丸为了改变逆变电路的输出电压,一般采用移相调压方法。【教师】组织课堂讨论如果电路中的负载为电阻性负载，则电路输出电压和电流会发生什么变化？【学生】聆听、思考、讨论、回答【教师】总结学生回答，讲解新知(3)电路的应用。相较于半桥逆变电路，全桥逆变电路的优点是输出电压高，输出功率大，但电路使用的开关器件多,且要求它们的参数一致性要好，这就造成其驱动电路复杂，实现同步比较困难。全桥逆变电路通常应用于】kW以上超大功率开关电源电路。3)带中心'抽头的变压器逆变电路【教师】展示“带中心抽头的变压器逆变电路”图片(详见教材)，提出问题，随机邀请学生回答带中心抽头的变压器逆变电路的电路结构与全桥逆变电路的电路结构有哪些不同？【学生】聆听、观察、思考、回答【教师】总结学生回答，讲解新知与全桥逆变电路相比，带中心抽头的变压器逆变电路所用开关器件数量减少了一半，但开关器件承受的电压要比在全桥逆变电路中高T音，因此该逆变电路中必须有一台变压器。在电路中，Ql和Q2交替开通，输出电压经变压器耦合后以矩形波的形式加在负载上；VDl和V6的作用是提供无功能量的反馈通道；电路输入端电压与负载参数相同，当变压器变比为1：1时，u。和i.的波形和幅值与全桥逆变电路的完全相同。2.三相电压型无源逆变电路1）电路的结构【教师】展示“三相桥式无源逆变电路”图片（详见教材），提出问题，随机邀请学生回答三相桥式无源逆变电路在电路结构与单相桥式逆变电路有哪些不同？【学生】聆听、观察、思考、回答【教师】总结学生回答，讲解新知三相桥式无源逆变电路可看作由三个半桥逆变电路组合而成。在一个周期内，三相桥式无源逆变电路的每个桥臂导电180。，同一相上下两桥臂交替导电，各相相位相差120oo【教师】讲述“点拨”的相关内容在三相桥式无源逆变电路中，由于每次换流都是在同一相上下两桥臂之间进行，因此这种换流方式也称纵向换流。【学生】聆听、思考、理解、记忆2）电路的工作原理在一个周期内,电路中6个开关器件按照QlTQ2-Q3-Q4-Q5-Qg的顺序依次触发开通，相邻两个开关器件的开通间隔为60。，任一瞬间都有三个桥臂同时开通。【教师】展示“三相桥式无源逆变电路的工作波形”图片（详见教材），讲解新知以U相为例，当Ql开通时，UUN=UJ2；当Qa开通时，UUN=-Ui/2。线电压uuv、UVw、UWU的幅值为Ui,其计算公式：详见教材。HUV=三"W"NuVW=uVK一uWK,uw=uVtruUtr相电压UUNxUVNkUWN的计算公式：mW三mXKuVtfuVK=uW-uMfuWN=uWN,-UNJr【教师】提出问题，随机邀请学生回答相电压的幅值为多少？与线电压的关系是什么？【学生】聆听、思考、回答【教师】总结学生回答，讲解新知负载中性点N和假想中性点U间的电压UNN-为11uNN,=3（uUN,+uVN,+Uwn'）一§（UUN+uVN+UWN）假设电路中的负载为三相对称负载，则UUN+UVN+UWN=0,故UNN'=（UUN,+UVN+UWN'）/3,其频率是UUN的三倍,幅值为UNN'=Ui/6,是UUN-的1/3,【教师】讲述“点拨”的相关内容在三相桥式无源逆变电路中，输入端电流每隔60°脉动一次，因此该电路从输入端向输出端传送的功率是脉动的，这是电压型无源逆变电路的一个特点。【学生】聆听、思考、理解、记忆3）电路的应用三相桥式无源逆变电路的优点是具有较强的自平衡能力，即具有较强的带不平衡负载的能力；电路中的全控型器件开关速度高，开关损耗小，具有耐脉冲电流冲击的能力，多应用于/助率逆变场合.3.1.3电流型无源逆变电路按照电源输入相数的不同，电流型无源逆变电路一般可分为单相电流型无源逆变电路和三相电流型无源逆变电路。电流型无源逆变电路主要有以下特点.(1)电路输入端并联大电容,相当于电流源，并且电路输入端电流基本无脉动,直流回路呈高阻抗特性。(2)由于电路中开关器件的作用仅仅是改变电路输入端电流的路径，而不改变其大小，因此，电路输出电流的波形为矩形波，并且与负载的阻抗角无关，而电路输出电压的波形和相位则因负载阻抗的不同而不同。(3)当电路输出端带阻感性负载时，需要为负载提供无功能量，输入端的电容起三l缓冲无功能量的作用。由于电流型无源逆变电路反馈无功能量时，电流并不反向，因此不需要像电压型无源逆变电路那样给开关器件并联反馈二极管。【教师】提出问题，随机邀请学生回答电流型无源逆变电路与电压型无源逆变电路有哪些区别？【学生】聆听、思考、回答【教师】总结学生回答，讲述“注意”的相关内容与多采用全控型器件的电压型无源逆变电路不同，在电流型无源逆变电路中，仍是以半控型器件(晶闸管)的应用居多，换流方式也多采用负载换流和强迫换流。【学生】聆听、思考、理解、记忆1 .单相电流型无源逆变电路2 )电路的结构【教师】展示“单相电流型并联谐振式逆变电路”图片(详见教材)，讲解新知如果逆变电路中的负载与电容和电感构成并联谐振电路且满足谐振条件，则称这类逆变电路为并联谐振式逆变电路。单相电流型并联谐振式逆变电路主要由4个桥臂构成，每个桥臂上的晶闸管各自串联一个电抗器，用来限制晶闸管开通时的didt2)电路的工作原理【教师】展示“单相电流型并联谐振式逆变电路的工作波形”图片(详见教材)，讲解新知电路采用负载换流的方式工作，整个负载因构成并联谐振电路而略呈容性，即负载电流的相位略超前于负载电压的相位。单相电流型并联请振式逆变电路的工作波形在电路的一个工作周期内有两个稳定开通阶段和两个换流阶段，i“的波形接近矩形波，其中含有基波和各奇次谐波，且奇次谐波幅值远小于基波的幅值。(1)在tt2时间段内，VTi和VT4处于通态，io=Ii,为C充电，电容极性为左正右负。(2)-(4)详见教材。通过上述分析可得到以下结论。(1)由于晶闸管需要一段时间才能恢复正向阻断能力，因此在换流结束后，VT1和VT4要承受一定时间的反向电压才能保证晶闸管的可靠换流，即隼=t5-t4,且t应大于晶闸管的关断时间。(2)-(3)详见教材。3 .三相电流型无源逆变电路【教师】展示“三相电流型无源逆变电路及其工作波形”图片(详见教材)，随机邀请学生回答三相电流型无源逆变电路与单相电流型无源逆变电路相比，电路结构有哪些变化？【学生】聆听、观察、思考、回答【教师】总结学生回答，讲解新知三相电流型无源逆变电路及其工作波形。在电路工作过程中，每个桥臂在一个周期内导电120。，同一时刻上下桥臂中各有一个晶闸管开通，这种换流方式称为横向换流。三相电流型无源逆变电路的特点：(1)电路输出电流的波形与负载性质无关，波形为正负脉冲各120°的矩形波。(2)电路输出电流的波形与带阻感性负载的三相整流电路的相同。(3)电路输出线电压与负载性质有关，近似为正弦波。【学生】聆听、思考、理解、记忆任务实训【教师】布置实训任务：测试无源逆变电路。将全班学生以35人为一组进行分组【学生】各组选出组长并进行任务分工，准备任务实施所需的工具和器材，并补全表3-2(详见教材)【教师】指导学生以小组为单位，按照以下活动步骤，完成“测试无源逆变电路”实训任务1)测试半桥逆变电路【教师】展示“半桥逆变测试电路”图片(详见教材)，指导学生选取相应的器材，按照图片分别连接测试电路1和测试电路2【学生】选取相应的器材，对照图片连接测试电路1和测试电路2(I)检杳并确认电路连接无误，然后闭合电源开关S,观察发光二极管的状态.(2)用万用表测量A、B两点间的电压值UAB,并将结果记录在表3-3中(详见教材)。(3)用示波器观察A、B两点间电压Uab的波形，并将其绘制在图3-3中(详见教材)(4)在测试结束后，断开电源,并将器材整理归位。【教师】讲述“注意”的相关内容，强调注意事项在接通电源前，要注意电路中各器件的连接方式。当暂时不使用电路或更换器件时必须先关断电源，不能带电操作。【学生】聆听、记忆2)测试全桥逆变电路【教师】展示“全桥逆变测试电路”图片(详见教材)，指导学生选取相应的器材，按照图片分别连接测试电路【学生】选取相应的器材，对照图片连接测试电路(1)检查并确认电路连接无误,然后闭合电源开关S,观察发光二极管DjD2的状态。(2)用万用表测量A、B两点间的电压值Uab,并将结果记录在表3-4中(详见教材).(3)用示波器观察A、B两点间电压Uab的波形，并将其绘制在图3-5中(详见教材).(4)在测试结束后，断开电源,并将器材整理归位。【学生】分组、分工协作完成实训任务，各组展示任务完成情况，组长配合教师填写考核评价表(详见教材)【教师】巡回指导，根据学生的实际表现进彳五平价，填写考核评价表(详见教材)课堂小结【教师】简要总结本节课的要点一、无源逆变电路概述(I)无源逆变电路的工作原理(2)无源逆变电路的换流方式二、电压型无源逆变电路(1)单相电压型无源逆变电路(2)三相电压型无源逆变电路三、电流型无源逆变电路(I)单相电流型无源逆变电路(2)三相电流型无源逆变电路【学生】总结回顾知识点作业布置【教师】布置课后作业1 .剧幅侬溅式的畛内容。2 .完成“创想天地”的内容：近年来，随着“双碳"目标的全面推进，以风力发电、光伏发电等为主的新能源产业迎来发展“风口期".2022年，我国风电、光伏发电新增装机容量达到1.25亿千瓦，连续三年突破1亿千瓦并再创历史新高，我国可再生能源继续保持全球领先地位。而逆变器是光伏电站的核心部件之一，随着光伏产业"井喷式”发展，逆变器市场也迎来了“高光时刻"，未来将会迎来新一波增长，预计到2025年，全球逆变器市场规模将达千亿级别。请设想未来逆变器还会在哪些行业发挥重要作用。3 .登录APP磔他学习平台查看相关知识链接。【学生】完成课后任务教学反思